4D flow MRI在大血管的应用研究
背景：
4D Flow MRI是指可以同时在空间三个方向编码的随时间变化的核磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI），除了提供影像学信息之外，还允许获取功能学信息，并进一步获取血流动力学参数，例如能量损失、压差以及感兴趣区域内壁面的剪切应力（wall shear stress, WSS）等。大量研究表明，4D flow MRI显示血液流动与心脑血管疾病之间存在关联[1]。
图1 4D flow MRI灰度场和速度场数据
近年来，4D flow MRI在临床上已经有了广泛的研究。除了最为突出的主动脉病变，还包括针对肺动脉高压，主动脉瓣膜，脑血管，主动脉瘤和动脉夹层，腹主动脉瘤，二叶主动脉瓣相关主动脉扩张等疾病的研究。利用4D flow MRI信息提取大血管血液流动信息，进行血流动力学分析，可以进行病变诊断、手术方案评估。
方法：
利用4D flow MRI数据首先提取目标区域的几何模型。由于数据受实验条件和技术手段的限制，测量得到的流场包含较强的噪音，同时时空分辨率较低，影响进一步的流动可视化和流场定量分析。因此，利用无散光滑方法（Divergence-free smoothing, DFS）[2]优化原始数据。在忽略血管变形的假设下，根据壁面无滑移条件，4D flow MRI在血管壁的速度为0。原始DFS方法并没有能力处理边界条件，因此，通过建立带壁面边界条件的DFS方程来优化4D flow MRI流场。根据优化后的流场，通过构建壁面局部坐标系，并引入隐式Musker模型拟合壁面速度分布，最后计算得到壁面剪切应力。
图2 4D flow MRI灰度场和速度场数据
应用示例：
表1 速度优化
表1 剪切应力优化
典型案例：
案例1：患有升主动脉瘤的患者大弯侧血管呈现病态，如图A所示。从手术中切下来的组织发现，该区域出现了溃疡，血肿以及炎症等症状。利用4D flow MRI获取患有升主动脉瘤患者的速度场数据，通过优化后的流线可以看到，在升主动脉区域，该流线呈螺旋状分布，在升主动脉大弯侧，血流速度达到最大，如图B所示。可以判断得出，大弯侧高的剪切应力梯度导致了高剪切力的产生，如图C所示。如果不采取治疗措施，久而久之，升主动脉的瘤会越来越大，并有可能发生破裂导致夹层或者破裂。选取瘤所在位置和正常血管的组织发现，正常血管的组织纹理清晰，较为规律，而瘤所在位置对应的组织较为紊乱。
(A) (B)
(C)
案例2： 4D flow MRI 也可以被用来提取计算域的边界速度分布，作为CFD计算的边界条件，进而获取更多的血流动力学参数，如图3所示。
图3 CFD计算速度场和4D flow MRI速度场对比
参考文献：
1. Frydrychowicz A, Berger A, Del Rio AM, et al. Interdependencies of aortic arch secondary flow patterns, geometry, and age analysed by 4-dimensional phase contrast magnetic resonance imaging at 3 Tesla. Eur Radiol. 2012;22(5):1122-1130.
2. Wang C, Gao Q, Wang H, Wei R, Li T, Wang J. Divergence-free smoothing for volumetric PIV data. Exp Fluids. 2016;57(1):15.